JPH0320293B2

JPH0320293B2 -

Info

Publication number: JPH0320293B2
Application number: JP9924187A
Authority: JP
Inventors: Sadaji Nagabori; Masanori Ooshima
Original assignee: Mitsubishi Corp
Current assignee: Mitsubishi Corp
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1991-03-19
Also published as: JPS63264239A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕この発明は、金属鋳造品を製造する場合に使用
される鋳物用砂型および中子（以下砂型という）
の製造に用いられる鋳型材料に係り、特に有機系
バインダーとセラミツク系バインダーの併用配合
によつて、常温大気中に放置した後の強度（以
下、放置強度という）、並びに溶湯を鋳込んだ時
の強度（以下、鋳込強度という）にすぐれ、かつ
塗型を全く必要としないか、あるいはスプレー程
度のごく簡単な塗型しか必要としない鋳物用砂型
の製造を可能とする鋳型材料に関するものであ
る。〔従来の技術〕一般に、金属の鋳造品を製造するのに使用され
る鋳物用砂型（以下、単に砂型ともいう）の造型
に用いられる鋳型材料としては、鋳物砂（以下、
単に砂ともいう）に有機系バインダーを配合した
鋳型材料と、砂に無機系バインダーを配合した鋳
型材料の２種に大別される。そのうち、前者の有機系バインダーを使用する
鋳型材料による造型としては、例えば、砂に混合
させた有機系バインダーとしてのフエノール樹脂
またはフラン樹脂を、硫酸、燐酸、トルエンスル
ホン酸またはキシレンスルホン酸のような強酸性
の硬化剤で硬化して、この砂を固める方法や、フ
エノール樹脂、ポリイソシアネートおよび塩基性
触媒の３者を砂と混合し、この触媒によりフエノ
ール樹脂とポリイソシアネートとのウレタン化反
応を起して砂を硬化させる方法（ペツプセツト
法）、さらに油変性アルキド樹脂、ナフテン酸金
属塩およびポリイソシアネートの３者の混合によ
つて起るウレタン化反応を利用して砂を固める方
法（リノキユア法）などがあり、また後者の無機
系バインダーを使用する鋳型材料による造型とし
ては、無機系バインダーとしてのセメントで砂を
固める方法（OJプロセス）や、同じく無機系バ
インダーとしての珪酸ソーダを含有させた砂に
CO₂ガスを圧入して、砂を硬化させる方法などが
知られている。〔発明が解決しようとする問題点〕前記の有機系バインダー配合の鋳型材料を用い
て製造された砂型は、一般に鋳込強度が劣るため
に、その砂型に溶湯が注入されると、有機系バイ
ンダーが燃焼して砂粒どうしの結合が弛み、溶湯
が砂の間に侵入する差込み事故が発生するので、
その溶湯の砂型内部への浸入を防ぐため、砂型の
溶湯と接触する部分に、黒鉛、雲母粉、木炭粉、
滑石などを主剤とした塗型剤を刷毛またはスプレ
ーなどで塗布しなければならず、一方無機バイン
ダー配合の鋳型材料を用いて造型された砂型で
は、差込みはないけれども、放置強度が劣る上
に、砂に金属が融着する焼付きが発生し易いの
で、それを防止するために、木粉、コークス粉等
を鋳型材料に添加した上に、やはり塗型する必要
があり、したがつていずれの場合も塗型を必要と
し、この塗型作業は砂型製作費の30〜50％も占め
て、砂型のコストアツプの主要な一因をなしてい
るという問題があつた。〔問題点を解決するための手段〕そこで、本発明者等は、このような問題を解決
するために種々研究を重ねた結果、 (1) バインダー配合の鋳型材料を用いて造型した
砂型を一定時間放置した後の強度、すなわち放
置強度が大きいと、製造作業中砂型が壊れ難い
ため、生産性が向上するとともに、取扱いが容
易となるので、砂型には元来高い放置強度が望
まれているが、従来のフラン樹脂等の有機バイ
ンダーのほかに、エチルシリケートのような珪
酸エステル、これの加水分解生成物、および水
またはアルコール分散型シリカゾルのうちの１
種または２種以上からなるセラミツク系バイン
ダー（以下、これらをまとめて本発明セラミツ
ク系バインダーともいう）と、その硬化剤とし
てイソシアネートを添加して砂を硬化させる
と、砂型の前記放置強度が、有機系バインダー
だけで硬化させた場合の1.5〜３倍に向上する
こと、 (2) 有機バインダー配合の鋳型材料を用いて造型
した砂型の鋳込強度は一般に放置強度の1/3程
度に低下するが、この鋳型材料に本発明セラミ
ツク系バインダー、またはさらに食塩、硼砂、
硼酸等の高温で溶融する高温強化剤を添加する
と、本発明セラミツク系バインダーから供給さ
れるシリカ、あるいはさらに硼酸等の高温強化
剤が、高温で砂に溶着して砂と砂とを強固に結
合するため、その砂型の鋳込強度は放置強度の
１／２程度までしか低下しない上に、前述のとお
り放置強度自体も高くなつているので、鋳込強
度は著しく向上すること、 (3) 無機系バインダー配合の鋳型材料によつて砂
型を造型する場合は、前述のとおり木粉、コー
クス粉等を鋳型材料に添加し、さらに塗型し
て、鋳造時に砂が焼つくのを防止していたが、
バインダーとして、本発明セラミツク系バイン
ダーのほかに有機系バインダーが共存している
と、この焼つきは全く起らず、耐焼つき性のす
ぐれた砂型が得られること、 (4) 鋳鋼、特殊鋼等の鋳造用砂型のように、特に
高い鋳込強度を必要とする砂型は、鋳鉄鋳造用
砂型と較べて、その鋳型材料中に硼酸等の前記
高温強化剤を多く配合する必要があるが、これ
らの添加剤の添加量が増えると砂型の造型性が
低下するので、バインダーを増やす必要も生ず
る。そこでこのバインダーを多く使用すると、
コスト高になるとともに、砂型の崩壊性が低下
するが、ここに糖類、デキストリン等の粘度調
整剤を鋳型材料に加えると、砂型の造型性が向
上し、バインダーを増やさなくても、すなわち
砂型の崩壊性を維持しつつ、造型性を向上でき
ること、 (5) ダクタイル鋳鉄鋳造時に、溶湯中に硫黄化合
物が存在すると、その鋳鉄における黒鉛の球状
化は阻害されるので、この化合物の存在は望ま
しくない。すなわち、有機バインダー配合の鋳
型材料を用いて砂型をつくる場合、例えば自硬
性のフエノール樹脂、尿素変性フラン樹脂など
を硬化させる場合に使用される硫酸や有機スル
ホン酸から供給される硫黄分は、黒鉛を球状化
するために溶湯に添加されたマグネシウムと反
応して、マグネシウムを消耗し、もつて黒鉛の
球状化を阻害するので、従来はこれを防止する
ために塗型剤を砂型内壁に塗布していた。しか
し、鋳型材料に酸化鉄や酸化マグネシウムのよ
うな黒鉛球状化安定剤を添加すると、これが硫
黄化合物と反応して黒鉛の球状化が全く阻害さ
れないこと、以上(1)〜(5)に示される知見を得たのである。この発明は、上記知見に基づいて発明されたも
ので、放置強度と熱間強度にすぐれ、かつ塗型を
全く必要としないか、あるいはごく簡単な塗型し
か必要としない鋳物用砂型を製造することができ
る鋳型材料を提供し、合成樹脂からなる有機系バインダー：0.4〜３
％、上記有機系バインダーを硬化させるための硬化
剤：0.2〜２％、珪酸エステル、これの加水分解生成物、水分散
型シリカゾル、およびアルコール分散型シリカゾ
ルのうちの１種または２種以上からなるセラミツ
ク系バインダー：SiO₂分として、0.05〜２％、上記セラミツク系バインダーを硬化させるため
の硬化剤：0.05〜２％、を配合し、さらに必要に応じて、高温強化剤：0.1〜３％、粘度調整剤：0.1〜２％、黒鉛球状化安定剤：0.03〜0.5％、のうちの１種または２種以上、を配合し、残りが鋳物砂からなる配合組成（以上
重量％）を有する鋳型材料に特徴を有するもので
ある。つぎに、この発明の鋳型材料において、配合組
成を上記の通りに限定した理由を説明する。 (a) 有機系バインダー有機系バインダーとしては、フルフリルアルコ
ール、フエノール、あるいはポリエステル等の合
成樹脂のほか、これらを変性または反応させた樹
脂、例えば尿素−フラン樹脂、フエノール−フラ
ン樹脂、ポリエステル−フラン樹脂、フエノール
−イソシアネート型樹脂、さらにポリエステル−
イソシアネート型樹脂のような従来砂型の有機系
バインダーとして使用されている合成樹脂が用い
られ、これらの合成樹脂は、砂に添加して硬化さ
せると、砂型の放置強度を向上させるとともに、
砂の焼つきを防止する作用を発揮するが、その含
有量が0.4％未満では前記作用が十分でなく、一
方それが３％を越すと砂型の崩壊性が低下すると
ともに、コストも高くなるので、その含有量を
0.4〜３％、望ましくは0.4〜２％と定めた。 (b) 有機系バインダー用硬化剤前記の有機系バインダーを硬化させるための硬
化剤としては、従来使用されている硫酸、燐酸、
ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、キシ
レンスルホン酸、さらにイソシアネート、この場
合好ましくは、ジイソシアネート、特に好ましく
はジフエニールメタン４，4′ジイソシアネート
（MDI）、ヘキサメチレンジイソシアネート
（HDI）、トルエン−２，４−ジイソシアネート
（２，4TDI）、トルエン−２，６−ジイソシアネ
ート（２，6TDI）、またはこれらの混合物を用い
ることができる。このように有機系バインダー用
硬化剤としては、上記の触媒も含めた、有機系バ
インダーを硬化させるために従来から使用されて
いるものを用いることができる。一般にこの硬化剤の添加量が0.2％未満では有
機系バインダーの硬化が十分でなく、またそれが
２％を越えると、硬化速度が速くなりすぎて造型
作業を円滑に遂行できなくなることから、その添
加量を0.2〜２％、好ましくは0.3〜1.5％と定め
た。 (c) セラミツク系バインダーセラミツク系バインダーとしては、珪酸エステ
ル、これの加水分解生成物、水分散型シリカゾ
ル、およびアルコール分散型シリカゾルが使用で
き、このうちの珪酸エステルとしては、特にエチ
ルシリケート（珪酸エチルエステル）、メチルシ
リケート、プロピルシリケート、ブチルシリケー
ト、またはそれの四量体ないし六量体のような重
合体、またはこれらの混合物が好ましい。この珪
酸エステルは水または酸水溶液によつて容易に加
水分解され、珪酸エステルを例えば、アルコール
を含む塩酸水溶液で加水分解した生成物も珪酸エ
ステルと同様に使用される。水またはアルコール分散型シリカゾルとして
は、粒径：20mμ以下の微粉状シリカを水、エタ
ノールのようなアルコールまたはアルコール水溶
液に分散させたシリカゾルが使用され、例えば日
本アエロジル(株)からアエロジル（AEROSIL）
（登録商標）の名称の下に市販されている、平均
粒径：12mμ程度の高分散性無定形シリカから調
製したシリカゾルを都合よく使用することができ
る。これらのセラミツク系バインダーによつて供給
される微粒状シリカは、いずれも800〜850℃にお
いて砂と砂とを焼結し、さらに1000〜1200℃で溶
融して砂と砂とを一層強固に融着する特性を有す
るので、高温領域におけるバインダーとして極め
てすぐれており、したがつて砂型の鋳込強度を著
しく改善する作用を有するばかりでなく、溶湯の
差込みを防止して塗型作業の省略または簡素化を
達成する作用も有するが、これらのセラミツク系
バインダー中のシリカ分（SiO₂分）が0.05％未満
では上記作用に所望の効果が得られず、一方それ
が２％を越えると砂型の崩壊性が悪化するところ
から、セラミツク系バインダーの混合割合を、シ
リカ分として0.05〜２％、好ましくは0.1〜1.5％
と定めた。 (d) セラミツク系バインダー用硬化剤セラミツク系バインダーとして使用される珪酸
エステル中のアルコール分、珪酸エステルの加水
分解生成物中に含まれるアルコールと水、および
シリカゾル中に含まれる水またはアルコールは、
有機系バインダーの硬化速度を低下させるととも
に、砂型の放置硬度も低下させるので、このよう
なセラミツク系バインダー中にアルコール分と水
分を除去して有機系バインダーの硬化速度と砂型
の放置強度を十分な高さに維持するために、セラ
ミツク系バインダー用硬化剤としてイソシアネー
トが使用される。このイソシアネートとしては
種々のアルコールまたは水と反応して前記作用を
発揮するものならばどのようなイソシアネートで
も使用することができ、そのうち好ましくはジフ
エニールメタン４，4′ジイソシアネート（MDI）、
ヘキサメチレンジイソシアネート（HDI）、トル
エン−２，４−ジイソシアネート（２，4TDI）、
トルエン−２，６−ジイソシアネート（２，
6TDI）、またはこれらの混合物を用いるのがよ
い。イソシアネートの配合量が0.05％未満では前記
作用が十分得られず、一方それが２％を越えて
も、その作用に格別の向上効果がみられず、コス
ト高となることから、それを0.05〜２％、好まし
くは0.1〜1.5％と定めた。 (e) 高温強化剤溶湯温度が比較的高くなる金属、例えば鋳鋼や
特殊鋼を鋳造する場合は、砂型に特に高い鋳込強
度が要求される。このため砂型は、溶湯の型注温
度で溶融して砂、バインダーおよびその他の添加
物とを強固に溶着させる材料によつて補強するこ
とが望ましく、このようなことから高温強化剤が
必要に応じて添加されるが、それには例えば食
塩、硼酸、あるいは硼砂を必要に応じて配合する
のがよい。この高温強化剤の配合量が0.1％未満
では前記効果が十分得られず、またそれが３％を
越すと砂型の崩壊性が低下するので、その範囲を
0.1〜３、好ましくは0.3〜２％と定めた。 (f) 粘度調整剤鋳鋼および特殊鋼用砂型のように、特に高温で
高い強度を維持しなければならない砂型におい
て、その強度を向上させるためにバインダーの配
合量を増大させると、砂型の崩壊性が低下する。
またこのような砂型は高い鋳込強度も必要とする
ので、その鋳込強度を向上させるために前記高温
強化剤の配合量を増大させると、砂型の造型性が
低下するので、特に前記の砂型において崩壊性と
鋳込強度に支障を来すことなく造型性を向上させ
ることを望む場合、必要に応じて粘度調整剤、例
えば糖蜜のような糖類、またはデキストリンを配
合するとよいが、その配合量が0.1％未満では、
十分な向上効果が得られず、一方それが２％を越
えると放置強度が低下するので、その範囲を0.1
〜２％、好ましくは0.3〜1.5％と定めた。 (g) 黒鉛球状化安定剤酸化鉄および酸化マグネシウムは、有機系バイン
ダー用硬化剤等から供給される硫黄化合物と反応
して、これらの化合物を捕捉するので、これらの
微粉末を砂型中に予め含有させておくと、前記化
合物が鋳造品中に混入していくのが防止され、そ
の結果ダクタイル鋳鉄における黒鉛の球状化は阻
害されない。したがつて、例えばダクタイル鋳鉄
の鋳造に使用される砂型を造型するのに用いられ
る鋳型材料には、前記の黒鉛球状化安定剤を配合
するのが望ましい。この黒鉛球状化安定剤の配合
量が0.03％未満では前記の黒鉛球状化安定作用が
得られず、一方それが0.5％を越しても、その作
用が格別向上しない上に、コストが高くなること
から、その範囲を0.03〜0.5％、好ましくは0.1〜
0.4％と定めた。〔実施例〕つぎに、この発明の鋳型材料を実施例により具
体的に説明する。 (a) 有機系バインダー（以下Ｒで示す）として：フルフリルアルコール（Ｒ−１）、フエノー
ル樹脂（Ｒ−２）尿素・フラン樹脂（Ｒ−３）、
ポリエステル・フラン樹脂（Ｒ−４）、フエノ
ール・フラン樹脂（Ｒ−５）、アルキツド樹脂
（Ｒ−６）、フエノール（ウレタン型）樹脂（Ｒ
−７）およびポリエステル樹脂（Ｒ−８）。 (b) 有機系バインダー用硬化剤（以下RCで示す）
として：トルエンスルフオン酸（RC−１）、キシレン
スルフオン酸（RC−２）、ベンゼンスルフオン
酸（RC−３）、ジフエニールメタン−４，4′ジ
イソシアネート（RC−４）、トルエン−２，４
ジイソシアネート（RC−５）、トルエン−２，
６ジイソシアネート（RC−６）および、ヘキ
サメチレンジイソシアネート（RC−７）。 (c) セラミツク系バインダー（以下CBで示す）
として：珪酸メチルエステル加水分解物（CB−１）、
珪酸エチルエステル加水分解物（CB−２）、珪
酸プロピルエステル加水分解物（CB−３）、珪
酸ブチルエステル加水分解物（CB−４）、アル
コール分散型シリカゾル（CB−５）および水
分散型シリカゾル（CB−６）。 (d) セラミツク系バインダー用硬化剤（以下CC
で示す）として：ジフエニールメタン−４，4′ジイソシアネー
ト（CC−１）、トルエン−２，４ジイソシアネ
ート（CC−２）、トルエン−２，６ジイソシア
ネート（CC−３）、およびヘキサメチレンジイ
ソシアネート（CC−４）。 (e) 黒鉛の球状化安定剤（以下CSで示す）とし
て：平均粒径10μmの酸化マグネシウム（CS−
１）、同20μmの酸化鉄（CS−２）。 (f) 高温強化剤（以下Ｈで示す）として：平均粒径10μmの硼酸（Ｈ−１）、同20μmの
硼砂（Ｈ−２）。 (g) 粘度調整剤（以下Ｖで示す）として：糖蜜（Ｖ−１）、デキストリン（Ｖ−２）。 (h) 粒径28〜325メツシユの主要粒度分布であつ
て、且150メツシユ以下を14.5〜16.2％含有し、
粒度指数：63.0（AFS）を有する鋳物砂（以下
Ｓで示す）として：珪砂（Ｓ−１）、ジルコンサンド（Ｓ−２）、
クロマイトサンド（Ｓ−３）。以上(a)〜(h)をそれぞれ用意した。ついで、例えば25℃に保持した珪砂（Ｓ−１）
をバツチミキサーに装入し、ミキサーを回転させ
ながら、この鋳物砂に、有機系バインダー用硬化
剤としてトルエンスルフオン酸（RC−１）：1.9
％（％はすべて鋳物砂の重量に対する重量％、以
下同じ）を加えて20秒間撹拌した後、有機系バイ
ンダーとしてフルフリルアルコール（Ｒ−１）：
2.9％を加え、同じく20秒間撹拌し、つぎにセラ
ミツク系バインダーとして珪酸メチルエステル加
水分解物（CB−１）：1.9％を加えて20秒間撹拌
し、さらにセラミツク系バインダー用硬化剤とし
てジフエニールメタン４，4′ジイソシアネート
（CC−１）：1.9％を加えて30秒間撹拌して20Kgの
本発明鋳型材料１を混合調製し、また同様な操作
で、それぞれ第１表に示される配合組成（ただし
高温強化剤、粘土調整剤、および黒鉛球状化安定
剤の配合は有機系バインダー配合の後で行ない、
この場合も20秒間の撹拌を行なつた）を有する20
Kgの本発明鋳型材料２〜26をそれぞれ調製した。ついで、この結果得られた本発明鋳型材料１〜
26を、それぞれ、定盤上に載置した幅：210mm×
長さ：290mm×高さ：120mmの内側寸法を有する金
枠内の模型のまわりに手早く注いで充填し、そし
て１時間放置後、固まつた砂型を模型から取り外
すことによつて、底部：（90mm×150mm）×頂部：
（110mm×160mm）×高さ：80mmの寸法を有する角錐
台形の凹部が形成された、肉厚：40mmの砂型を造
型した。さらに比較のため、前記の25℃に保たれた珪砂
（Ｓ−１）を同様にバツチ式サンドミキサーに装
入し、ミキサーを回転しながら、この砂に対し
て、有機系バインダー用硬化剤としてのトルエン
スルホン酸（RC−１）：0.5％を加え、その後20
秒間撹拌してから尿素・フラン樹脂（Ｒ−３）：
1.0％を添加し、30秒間撹拌することにより20Kg
の従来鋳型材料１を調製し、同じ条件で砂型を造
型

【表】

〔発明の効果〕

第１表に示される結果から、本発明鋳型材料１
〜26で造型された砂型は、いずれも有機系バイン
ダーを用いた従来鋳型材料１で造型された砂型に
比して高い放置強度および鋳込強度を示し、また
無機系バインダーを用いた従来鋳型材料２による
砂型は、鋳込強度は高いものの、放置強度は著し
く低いものであり、さらに従来鋳型材料１の砂型
は耐差込み性が、また従来鋳型材料２の砂型は耐
焼つき性がそれぞれ十分でないために塗型が必要
であることを示しているのに対して、本発明鋳型
材料１〜26の砂型は耐焼つき性および耐差込み性
の両方にすぐれ、塗型を施さなくても十分実用に
耐えることが明らかである。また、第１表に示されるように黒鉛球状化安定
剤を配合した上記の本発明鋳型材料から造型され
た砂型では、いずれも黒鉛球状化安定性の優秀
（◎印）あるいは良好（〇印）な鋳物が製造でき
るのである。上述の通り、この発明の鋳型材料によれば、放
置強度と鋳込強度のいずれの強度にもすぐれ、し
かも鋳造時には溶湯の焼つきおよび差込み事故を
全く、または殆ど起さない鋳物用砂型が得られ、
したがつて、従来避けることができなかつた塗型
を全く省くか、あるいは極く簡単な塗型ですます
ことができる丈夫な鋳物用砂型を製造することが
でき、生産性の向上並びにコスト切下げに寄与す
るところ大なるものである。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a) フルフリルアルコール、フエノール樹
脂、およびポリエステル樹脂、並びにこれらを
変性または反応させた樹脂のうちの少なくとも
１種からなる有機系バインダー：0.4〜３％、 (b) 硫酸、燐酸、スルホン酸、およびイソシアネ
ートのうちの少なくとも１種からなる上記有機
系バインダーを硬化させるための硬化剤：0.2
〜２％、 (c) 珪酸エステル、これの加水分解生成物、水分
散型シリカゾル、およびアルコール分散型シリ
カゾルのうちの少なくとも１種からなるセラミ
ツク系バインダー：SiO₂分として0.05〜２％、 (d) 上記セラミツク系バインダーを硬化させるた
めのイソシアネートのうちの少なくとも１種か
らなる硬化剤：0.05〜２％、以上(a)〜(d)を配合し、残りが鋳物砂からなる配
合組成（以上重量％）を有することを特徴とする
塗型を必要としない砂型および中子を造型するの
に用いられる鋳型材料。２ (a) フルフリルアルコール、フエノール樹
脂、およびポリエステル樹脂、並びにこれらを
変性または反応させた樹脂のうちの少なくとも
１種からなる有機系バインダー：0.4〜３％、 (b) 硫酸、燐酸、スルホン酸、およびイソシアネ
ートのうちの少なくとも１種からなる上記有機
系バインダーを硬化させるための硬化剤：0.2
〜２％、 (c) 珪酸エステル、これの加水分解生成物、水分
散型シリカゾル、およびアルコール分散型シリ
カゾルのうちの少なくとも１種からなるセラミ
ツク系バインダー：SiO₂分として0.05〜２％、 (d) 上記セラミツク系バインダーを硬化させるた
めのイソシアネートのうちの少なくとも１種か
らなる硬化剤：0.05〜２％、以上(a)〜(d)を配合し、さらに、 (e) 食塩、硼砂、および硼酸のうちの少なくとも
１種からなる高温強化剤：0.1〜３％、 (f) 糖類およびデキストリンのうちの少なくとも
１種からなる粘度調整剤：0.1〜２％、 (g) 酸化鉄および酸化マグネシウムのうちの少な
くとも１種からなる黒鉛球状化安定剤：0.03〜
0.5％、以上(e)〜(g)のうちの少なくとも１種、を配合し、残りが鋳物砂からなる配合組成（以上
重量％）を有することを特徴とする塗型を必要と
しない砂型および中子を造型するのに用いられる
鋳型材料。